JPH10106953A

JPH10106953A - 多結晶半導体膜の製造方法

Info

Publication number: JPH10106953A
Application number: JP25952996A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Sasaki; 秀幸佐々木; Mitsuhiro Tomita; 充裕富田; Michihiro Ouse; 路博合瀬; Shiro Takeno; 史郎竹野; Isao Suzuki; 功鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-04-24
Anticipated expiration: 2016-09-30
Also published as: KR100278128B1; JP4098377B2; KR19980025184A

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体膜を高エネルギーパルスレーザー照射に
より融解・結晶化して多結晶半導体膜を製造する処理に
おいて、固化時間をパルスレーザーのパルス長さに関わ
らず、任意に延ばすことができ、大粒径の多結晶半導体
膜を安定に製造し、多結晶半導体膜の結晶性とＴＦＴ特
性を向上することを目的とする。【解決手段】高エネルギービームの照射により、融解し
た半導体膜部の抵抗値を低下することにより、誘導加熱
コイルにより半導体膜中に発生した交流電界により、半
導体膜内に渦電流が流れ、溶融部のみが誘導加熱される
ことになり、固化時間が延び、大きな結晶を成長せしめ
ることが可能になり、半導体膜の移動度などのＴＦＴ素
子特性を大幅に改善できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示素子等に
用いられている多結晶半導体膜の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子に用いられる薄膜トランジ
スタ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ以下
ＴＦＴ）は通常石英基板あるいはガラス基板上に形成し
た多結晶半導体膜に形成される。

【０００３】多結晶半導体薄膜の移動度等の半導体特性
は、結晶粒が大きいほど向上するため、基板が耐熱性の
石英ガラスの場合や、または太陽電池のように基板のダ
メージが使用上問題にならない場合には、基板上のａ−
Ｓｉ膜を基板ごと加熱し融解して多結晶化する各種の方
法が用いられる。しかしながら、石英基板は非常に高価
であり、その結果ＴＦＴのコストが高くなる。従って従
来のＴＦＴはガラス基板上に形成されている。ここで液
晶表示素子のＴＦＴ素子として多結晶Ｓｉを用いる場合
には、ガラス基板上に多結晶Ｓｉが形成されるため、ガ
ラスの変形や歪みを生じる長時間の高温アニール（例え
ば５５０〜６００℃の低温の窒素雰囲気中で８時間〜５
６時間加熱）をすることができず、ａ−Ｓｉのみを加熱
溶解して多結晶化できるエキシマレーザーアニールが通
常行われている。

【０００４】エキシマレーザーアニールは、数１０ｎ秒
のレーザーパルスをａ−Ｓｉ膜表面に照射することによ
り、ａ−Ｓｉ膜のみを融解できるが、基板への熱拡散が
非常に速いため、固化時間が短く結晶粒が大きく成長す
ることができないという問題がある。大きな結晶粒を成
長させるためには固化時間を長くする必要があり、レー
ザーのパルス長を長くしたり、複数のレーザーを用いた
多重パルスにより熱入力時間を長くすることによりある
程度可能であるが、単一のパルスの長さは数倍程度にし
か延ばせず、大幅に固化時間を拡大することは不可能で
ある。また複数本のレーザーを用いる多重パルス法は、
原理的に有効な方法であるが、不安定な多くのレーザー
を同時に制御することは事実上不可能である。

【０００５】また簡易な方法として、ガラスに影響のな
い程度の温度（３００〜５００℃）まで基板を加熱した
状態で、レーザー照射し固化時間をある程度延ばせる
が、この方法の場合、半導体の融点の近くまで加熱しな
いと大きな効果がなく、ガラス基板の使用上での耐熱温
度である３００〜５００℃程度では大幅に固化時間を延
ばすことはできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この様に、従来のパル
スレーザーアニールでは固化時間が短く結晶粒が大きく
成長できないという問題があった。即ち、パルスレーザ
ーアニールによる多結晶半導体膜の製造において、大型
の結晶粒を有する多結晶半導体膜を成長させるために、
レーザー照射後の溶融状態から固化・多結晶化するまで
の固化時間を長くする必要がある。このために、本発明
ではレーザー光の吸収により半導体膜が融解した状態の
時のみ、膜からの放熱量より少ない熱量が融解した膜へ
供給されるようにし、固化時間を延ばすことのできる多
結晶半導体膜の製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は電磁誘導法また
は通電法により半導体膜内に高周波または定電圧の電界
を形成することにより、電気抵抗の高い固体状態の半導
体膜には電流が流れず熱が発生せず、高エネルギービー
ムを照射して融解状態の半導体膜部分のみに電流が流れ
熱を発生させることにより、高エネルギービーム照射だ
けの場合よりも半導体膜の融解状態を長く保持して固化
時間を延ばし、大結晶粒を持つ多結晶半導体膜を製造す
る。

【０００８】高エネルギーパルスビームを照射した半導
体膜の固化過程を図１に示す。（ａ）はパルスビームに
より半導体薄膜を瞬間的に加熱したことを示している。
（ｂ）では瞬間的な加熱により昇温した半導体膜の状態
を示し、時間Ｏでは半導体膜温度は融点に達しており、
膜は液体となっている。時間Ｓでは固体状態でありＯ〜
Ｓの間は固体と液体が共存している。この際の放熱速度
と時間の関係を（ｃ）に示す。即ち、ビーム照射直後か
らの急激な熱拡散による放熱速度Ｄで、膜の潜熱量Ｍと
放熱総量が等しくなる。（Ｄ・Ｓ₀ ＝Ｍ、Ｓ₀ ：固化時
間）まで固液共存状態を経て固体状態時間Ｓ₀ に戻る。
固液状態変化により半導体膜の抵抗率の変化を、図２に
示す。横軸がシリコンの温度、縦軸がシリコンの抵抗率
である。シリコンは１４２０℃付近で固体から液体に変
化しており、抵抗率は５×１０^-2［Ω・ｃｍ］から１×
１０^-4［Ω・ｃｍ］と低下する。さらに図３にＳｉ中の
不純物濃度と抵抗率との関係を示す。室温下の固体（不
純物濃度≦１０¹⁷ｃｍ^-3）では、例えば不純物濃度が１
０¹⁶ｃｍ^-3のｎ型Ｓｉで抵抗率は１Ω・ｃｍとなってい
る。つまり高エネルギービーム未照射部のシリコン固体
（〜室温）に対する照射部のシリコン融解部との抵抗率
は１［Ω・ｃｍ］から１×１０^-4［Ω・ｃｍ］と１／１
００００になることが判る。

【０００９】ところで、定電圧（Ｅ（Ｖ））を印加した
抵抗体（Ｒ（Ω））に単位時間当たり発生する熱量は、
Ｑ＝Ｉ・Ｅ＝Ｅ² ／Ｒとなる（Ｉ（Ａ））は抵抗体に流
れる電流）。したがって、固体と液体の半導体膜に同電
圧を印加した場合に、発生する熱量比ｒは、液体と固体
の半導体の抵抗値比をＳ（液体／固体）とすると、ｒ＝
Ｓとなることが判る。シリコンの場合には、室温の固体
の抵抗値に比べ融点下の液体では４桁近くも電気抵抗が
低いことから、発熱量も液体の方が固体に比べ１０００
０倍にもなることが判る。

【００１０】つまり半導体膜を適当な電界中で、高エネ
ルギーパルスビームを照射した場合に、ビーム照射によ
り融解した半導体膜のみが固体部に比べ効率的に加熱さ
れることになる。

【００１１】発生熱量は、電界Ｅの二乗に比例すること
から、適当な電界を選ぶことにより、液体と固体の発生
熱量を制御することは可能であり、融液中に発生する熱
量を、放熱量より僅かに小さくすることにより、液体状
態のシリコンを徐々に固化させることができ、融解状態
の持続時間つまり固化時間を延ばすことが可能である。

【００１２】次に、電界の印加により延長される固化時
間を、（１）定電界の場合と（２）定発熱の場合、につ
いて算出する。（１）定電界印加の場合定電界の場合について、固化過程における半導体膜の発
熱と温度変化を図４に示す。

【００１３】半導体膜の融液と固体の電気抵抗をそれぞ
れＲ_L とＲ_S に、放熱速度をＤに、電界下での固化時間
をＳにした。固化開始時のためには、放熱速度Ｄよりも
発熱速度（Ｅ² ／Ｒ_L ）が小さい必要があるため、加熱
用の電界強度の上限はＥ＜（ＤＲ_L ）となる。固化にと
もない、半導体膜の抵抗値は（Ｒ_S −Ｒ_L ）×＋Ｒ_L 、
（ｘ：固化率（０≦ｘ≦１））に従い上昇（Ｒ_L →Ｒ
_S ）し、急激に発熱量Ｑは低下するため、Ｍ＝ＤＳ−Ｑ
となる固化時間の上限はＳ＜２Ｓ₀ となる。つまり定電
界印加では固化時間を最大で２倍近くまで延長できる。
この場合の半導体膜の冷却速度はＤ−Ｅ² ／｛（Ｒ_S −
Ｒ_L ）ｘ＋Ｒ_L ｝であることから、固化の進行とともに
増加することが判る。（２）電界制御による定発熱の場合固化時間内で一定の熱が発生するように印加する電界強
度を制御した場合について図５を用いて説明する。融点
下での放熱速度を一定と過程すると、定発熱の場合に
は、固化中の半導体膜の冷却速度は、常に一定になる。
このような定発熱条件を実現するための電界強度の時間
変化、レーザー照射後からの時間をｔ、半導体膜の潜熱
量Ｍとすると、Ｅ² ＝（Ｄ−Ｍ／Ｓ）｛（Ｒ_S −Ｒ_L ）
ｔ／Ｓ＋Ｒ_L ｝の関係式から算出され、電界、放熱・発
熱速度と、温度変化の関係は図５に示したとおりであ
る。つまり電界強度をレーザー照射に同期して２次関数
的に制御すれば、任意の固化時間を得られるとともに、
任意の冷却速度が得られることが判る。

【００１４】半導体膜に電界を発生させる方法として
は、通電加熱法または電磁誘導法があるが、前者の場合
には高エネルギービーム内部に通電域を形成しなくては
ならないが、後者は高周波電界内に試料を置くだけで良
く、さらにガラス基板は絶縁体であり、透磁率も高いこ
とから半導体膜の付いていない裏面側に誘導コイルを設
置することにより、レーザー照射の妨害にならない。

【００１５】また両方とも、上記の（２）に示したよう
に、電界強度を高エネルギーパルスビーム照射に同期さ
せ変動させることにより、融液内に発生する熱量を制御
することによって固化時間と冷却速度を任意に選定する
ことが可能である。

【００１６】

【発明の実施の形態】

【００１７】

【実施例１】以下、本発明の実施例を図６に基づいて説
明する。図６は、本発明の多結晶半導体膜の製造法を実
施するレーザー照射装置と電磁誘導加熱装置の配置図を
示した模式図である。単一光源からの高エネルギービー
ム（本実施例ではエキシマパルスレーザービームを使
用）１が、ガラス基板２上に半導体膜３に、垂直に照射
される。高エネルギービーム照射部のガラス基板下には
誘導加熱コイル４が、配置されており、コイルには高周
波電源５から高周波電流が流されており、基板自体が高
エネルギーパルスビームに同期して移動することによ
り、基板全体を高エネルギービームの照射と誘導加熱す
ることが可能である。

【００１８】高エネルギービームの照射により発生した
半導体膜の融解部６の抵抗値が低下することにより、誘
導加熱コイルにより半導体膜中に発生した交流電界によ
り、半導体膜内に渦電流が流れ、溶融部のみが誘導加熱
されることになり、固化時間が延びることになる。誘導
加熱からの熱発生速度は、液体状態のシリコンを徐々に
固化させる為、融解部の温度を上昇させないほど、つま
り放熱速度より小さい必要がある。融解部の発熱速度
は、照射部全てが融解した状態の抵抗値が最も低くな
り、発熱速度は最大になるため、この時の発熱量が放熱
速度を越えないように高周波電界や高周波周波数を設定
する必要がある。このような定電圧の定出力の高周波誘
導加熱により、固化時間は上限２倍まで延ばすことがで
き、この固化時間内に成長できる結晶粒の粒径を２倍近
くまで大きくすることが可能となり、移動度などのＴＦ
Ｔ素子特性を改善することができる。また高周波誘導の
電圧や周波数を高エネルギービームの照射と同期して制
御し、半導体膜の固化にともなう抵抗値の増加により発
熱効率の低下を補い、固化時間中において定発熱状態を
維持できるようにすることにより、任意の固化時間を選
ぶことができ、さらに大きな結晶粒を成長せしめること
が可能になる。

【００１９】なお、本発明に使用できる高周波帯域は、
１ｋＨｚ〜１ＧＨｚの範囲で可能であり、電界の制御の
場合には、１００ｎｓｅｃ程度の固化時間より十分に速
い応答が可能な１００ＭＨｚ（１周期：１０ｎｓｅｃ）
以上の周波数帯域を使用することが望ましい。

【００２０】さらに１ＧＨｚ以上のマイクロ波を、導波
路を用いて、高エネルギービーム照射領域に照射するこ
とにより、誘導加熱と同様な効果（マイクロ波加熱）が
得られる。

【００２１】

【実施例２】以下、本発明の実施例を図７に基づいて説
明する。図７は、本発明の多結晶半導体膜の製造方法を
実施するレーザー照射装置と通電加熱機構の配置図を示
した模式図である。単一光源からの高エネルギービーム
（本実施例ではエキシマパルスレーザービームを使用）
１が、ガラス基板２上の半導体薄膜３に、垂直に照射さ
れる。高エネルギービーム照射部の長辺の両端にあたる
半導体薄膜の上または下には、Ａｌなどの金属配線７、
８が基板を横断するように成膜されており、この配線に
は電源９から電圧が印加された状態である。電極を含む
電極間の半導体膜に高エネルギービームが照射されるこ
とにより、半導体膜が溶融すると、半導体膜の抵抗値が
低下し、電極間の半導体膜の溶融部６を通して電流が流
れ、溶融半導体膜自身が抵抗加熱される。この発熱量
は、印加している電圧の二乗に比例するため、電圧制御
可能であり、定電圧の場合には、発熱速度は融点下での
放熱速度Ｄよりも小さい必要がある。つまりＤ≧（Ｅ²
／Ｒ_L ）に従い電圧を設定する必要がある。また電圧を
高エネルギーパルスビームに同期して制御することによ
り、半導体膜の固化にともない抵抗値の上昇による発熱
量の低下を補い定発熱状態に制御することにより、任意
の固化時間まで延ばすことが可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、半導体
膜を高エネルギーパルスレーザー照射により融解・結晶
化して多結晶半導体膜を製造する処理において、固化時
間をパルスレーザーのパルスの長さに関わらず、任意に
延ばすことができ、大粒径の多結晶半導体膜を安定に製
造することができ、多結晶半導体膜の結晶性とＴＦＴ特
性を向上できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】無電界下のレーザー融解半導体膜の固化過程
を示す図

【図２】Ｓｉの抵抗率の温度変化（９００〜１５００
℃）を示す図

【図３】Ｓｉ中の不純物濃度と抵抗率との関係（室
温）を示す図

【図４】定電界下のレーザー融解半導体膜の固化過程
を示す図

【図５】電界制御（定発熱）下のレーザー融解半導体
膜の固化過程を示す図

【図６】本発明の多結晶半導体膜の製造方法を実施す
るレーザー照射装置と誘導加熱装置の配置図

【図７】本発明の多結晶半導体膜の製造方法を実施す
るレーザー照射装置と通電加熱装置の配置図

【符号の説明】

１エキシマレーザービーム２ガラス基板３半導体膜４誘導加熱コイル５高周波電源６溶融部７金属配線８金属配線９電圧制御電源

フロントページの続き (72)発明者竹野史郎神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者鈴木功神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に、
結晶化または結晶性改善のため高エネルギービームを照
射して融解し、電気抵抗率が固体状態に比べ低下した融
解部分のみを電磁誘導加熱し、固化時間を延ばすことを
特徴とする多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項２】非晶質半導体膜に照射する高エネルギービ
ームが、非晶質膜または多結晶膜を融解し、液体または
固液共存状態にできるエネルギー密度以上であるととも
に、電磁誘導加熱が、固体状態の非晶質半導体膜または
多結晶半導体膜を融解できない出力以下であり、かつ融
点下にある液体状態または固液共存状態の半導体膜の温
度を更に上昇させない出力であり、かつその固液共存状
態を任意の時間保持できる以上の出力を有することを特
徴とする多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項３】非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に照
射する高エネルギービームの照射領域よりも加熱用に形
成される電磁誘導電界領域が広く、高エネルギービーム
の照射により融解・液化し低抵抗化した部分のみの半導
体膜が電磁誘導加熱されることを特徴とする多結晶半導
体膜の製造法。
【請求項４】非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に照
射する高エネルギーパルスビームと同期して、半導体膜
を電磁誘導加熱するために電界または周波数を制御し、
固化の進行にともない固液率が変化し高抵抗化すること
による発熱効率の低下を補正し、定発熱状態にすること
を特徴とする多結晶半導体膜の製造法。
【請求項５】非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に、
結晶化または結晶性改善のため高エネルギービームを照
射して融解し、電気抵抗率が固体状態に比べ低下した融
解部分のみを通電加熱し、固化時間を延ばすことを特徴
とする多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項６】非晶質半導体膜に照射する高エネルギービ
ームが、非晶質膜または多結晶膜を融解し、液体または
固液共存状態にできるエネルギー密度以上であるととも
に、通電加熱が、固体状態の非晶質半導体膜または多結
晶半導体膜を融解できない電圧以下であり、かつ融点下
にある液体状態または固液共存状態の半導体膜の温度を
更に上昇させない電圧であり、かつその液体状態を任意
の時間保持できる以上の電圧を有することを特徴とする
多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項７】非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に照
射する高エネルギービームの照射領域と、加熱用に形成
される通電領域が重複する半導体膜部分のみを、通電加
熱されることを特徴する多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項８】非晶質半導体膜または多結晶半導体膜に照
射する高エネルギーパルスビームと同期して、半導体膜
を通電加熱するために電圧を制御し、固化の進行にとも
ない固液率が変化し高抵抗化することによる発熱効率の
低下を補正し、定発熱状態にすることを特徴とする多結
晶半導体膜の製造方法。